汽车空气弹簧基础研究现状与展望

2018-03-31高加泉袁晓云韩苗苗

时代农机 2018年1期

高加泉，袁晓云，韩苗苗

（江西现代职业技术学院，江西南昌 330099）

汽车悬架系统一般是由弹性元件和阻尼元件、导向和横向稳定装置等部件组成。它的直接功能是缓冲、抑制和衰减振动与冲击，传递车轮和车架之间的力和力矩，以此来提高汽车行驶的平顺性、稳定性和安全性。悬架上的弹性元件常见的有钢板弹簧、螺旋弹簧、空气弹簧、扭杆弹簧和油气弹簧等几种类型。在密封的橡胶气囊中，填入一定压力的空气，利用空气的可压缩性实现弹性作用，这种弹簧为弹性元件的悬架称为空气弹簧悬架。

空气弹簧具有较低的固有频率以及刚度可调等特性，使得装有空气弹簧悬架的车辆比采用普通钢板弹簧的车辆具有更好的行驶平顺性和道路友好性，在加装高度控制阀后还可以在不同的装载下保持相同的车身高度，达到更好的道路通过性。这些优良特性使得空气弹簧在商用车中开始得到广泛应用。

1 空气弹簧的基本结构

1.1 空气弹簧的分类

图1 空气弹簧结构

空气弹簧常用结构的有：囊式结构、膜式结构及混合式结构。囊式结构一般采用由一段或数段串联而成的灯笼形结构，选用橡胶材料制成。在各段之间镶嵌金属腰环，借以承受初始压力和张力的作用。其结构特点如图1（a）空气悬架系统，图（b）不同类型的空气弹簧的实物，图（c）空气弹簧的结构。膜式空气弹簧的特性曲线和囊式的相比较为理想，因为其有效面积变化率是通过改变活塞形状控制的，从而自振频率也较低。

1.2 空气弹簧气囊的结构

空气弹簧是由上外层胶、第二层帘子布、第一层帘子布、内胶层等结构成，其中气囊是一种柔性体，是其重要组成部分，它是由橡胶和骨架材料组成。其结构图如图2所示。外层胶主要作用是耐老化、耐屈挠、有较高的定应力；内层胶的用用是耐老化、好的气密性；帘布胶的用作是与帘线的粘结性能好；钢丝胶的作用是提高的定伸应力、与钢丝的粘结性能好、压出性能好。

图2 空气弹簧气囊结构图

2 基础研究现状

2.1 国外研究现状

根据相关记录，第一个空气弹簧的发明专利最早是由美国JohnLewis在1847年申请的。《美国科学》杂志也在同一年提出了“ride on air”的概念。空气弹簧在汽车的应用及推广经历了好多波折。国外空气弹簧虽然相比国内来讲早了很多，但从研究到使用也大约经过了一百多年的历史。空气弹簧最是应用于欧洲的有轨电车上，这样一来也让同行公司看到了空气弹簧的未来发展势头。直到二十世纪中期，空气弹簧才在商用车和客车上得到实际应用。美国于1947年首次在普尔曼车上使用了空气弹簧，使空气弹簧开始大量装备在商用车上，随后在1953年，世界上最大的空气弹簧制造厂商Firestone公司与通用汽车有限公司合作，在GreyhoundLines豪华大客车上采用空气弹簧悬架。随后英国、法国、德国、意大利、日本等国家也开始对空气弹簧进行研究，装有空气弹簧的产品相继出现。1970～1994年，Evans.J.R等人通过大量的垂向和侧试验，构建了空气弹簧垂直动态特性模型，并就速度对侧向特性的影响进行了观察分析。同时一大批专业空气弹簧、空气悬架生产厂家开始出现，如美国的Firestone、Neway、Goodyear和德国的 ContiTech、SAF、BPW等。

2.2 国内研究现状

国内研究空气弹簧的起步比较晚，直到20世纪中期才开始触及。中国第一辆装配了自主研究的空气悬架车辆是在1957年由我国一汽汽车研究所及中国橡胶工业研究所大力合作下才产生的。在此次成功运用之后，空气弹簧的应用研究就越来越广了，开始在家用轿车，大客车、重型货车及火车等车辆上。1958年，长春汽车研究所开发出可升降的空气悬架，通过控制阀来控制空气悬架的升降。1980年，该研究所对空气弹簧进行了改进，同时研发了一款适用于客车使用的空气悬架。此空气悬架装配到车上大大提高了汽车的各项性能，如汽车的操纵稳定性、汽车的行驶平顺性及燃油经济性等。1987年，长春汽车研究所和沈阳飞机制造公司汽车厂一起合作，研发出CA151D18空气悬架底盘，并将其装配于SFQ6981A型客车中。1988年，四方机车厂在试制的101型和103型高速转向架上使用新型约束膜式空气弹簧，这种空气弹簧具有较好的横向弹性特性，而且内外筒和橡胶囊采用自封式密封，可保证良好的气密性能，又简化了空气弹簧的组装和检修工艺。

3 空气弹簧研究展望

随着我国国民经济的飞速发展，基础建设的投入越来越大，特别是公路建设不断改进，进而使得汽车的运行速度不断提高。汽车已成为人们日常生活不可或缺的一部分。当然人们对汽车的安全性、操纵稳定性、乘坐的舒适性的要求也越来越高，空气弹簧的优良性能正好满足当今快速发展的汽车行业，国内市场将会加大对空气悬架的研发及使用。工业的发展直接带来汽车业的发展，而重型货车的保有量会急剧增长，重型货车因其运输能力与路面破坏能力是正相关的，以前在使用刚板弹簧时，这个矛盾很难解决，而当空气弹簧运用到重型货车上，就大大地提高了乘坐舒适性以及减小了对路面的坏。因空气弹簧具有自身独特的优点，因此交通部开始实施颁布了《营运客车类型划分及等级评定》中规定运行的大中型客车必须逐渐淘汰钢板弹簧加大采用空气弹簧。政策的出台将会给空气弹簧的发展创新带来更大的空间。

最近几年来，空气弹簧的运用取得了前所未有的成效。据有关部门统计，2016年售出的汽车大约有16.5%的车辆，装配了空气弹簧。随着我国汽车工业的发展，空气弹簧的研究技术也越来越成熟。国内一些大的厂家已经具备研发制备比较成熟的空气悬架产品和零件，例如，上海科曼车辆部件系统有限公司引进了德国的空气悬架技术，针对我国的市场需求，着重研究汽车是否拥有优良的舒适性以及操作性能的匹配情况，科曼公司在国内空气悬架市场中的发展前景良好。

［1］江洪，王子豪，孔亮.半主动空气悬架的神经模糊控制［J］.重庆理工大学学报（自然科学），2017，（3）：1-11.

［2］付涛，王大镇，弓清忠，等.车辆空气悬架PID控制优化仿真［J］.计算机仿真，2015，（1）：197-201.

［3］马佳富，张海军，朱思洪，等.带附加气室空气弹簧等效刚度和等效阻尼高斯模型［J］.南京农业大学学报，2016，（5）：880-886.

［4］王黎明，姚小强，王国栋.国产化CRH5型动车组用SYS530B型空气弹簧研制［J］.铁道车辆，2017，（3）：25-28.

［5］霍芳霄.基于AMESim的铁道车辆空气弹簧系统特性分析［D］.成都：西南交通大学，2014.

［6］甄亚林.基于AMESim空气弹簧模型车辆动力学性能分析［D］.成都：西南交通大学，2014.

［7］戚壮，李芾，丁军君，等.基于非线性有限元算法的空气弹簧横向动态刚度研究［J］.机械科学与技术，2015，（10）：1530-1535.

［8］方宇，张国富，潘震，等.基于运用状态下的空气弹簧可靠性评价方法［J］.城市轨道交通研究，2016，（7）：21-26.

［9］张利国，张嘉钟，贾力萍，等.空气弹簧的现状及其发展［J］.振动与冲击，2007，（2）：146-151.

［10］王艳.空气弹簧力学特性仿真分析与试验研究［D］.成都：西南交通大学，2015.

［11］吴兴文，池茂儒，朱旻昊，等.空气弹簧模型对铁道车辆动力学性能的影响［J］.交通运输工程学报，2013，（2）：54-59.

［12］高红星，池茂儒，朱旻昊，等.空气弹簧模型研究［J］.机械工程学报，2015，（4）：108-115.